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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Netzelement, welche
eine gleichmäßige Verteilung
von SS7-Verkehr auf mehrere Links in klassischen und IP-basierten
SS7-Netzen auch dann ermöglichen, wenn
einige der für
die Linkauswahl verwendeten Werte (z.B. SLS Werte) häufiger auftreten
als andere.
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Moderne
Kommunikationsnetze transportieren üblicherweise zwei Arten von
Verkehr bzw. Daten. Die erste Art ist der Verkehr, welcher von Nutzern
oder Teilnehmern gesendet oder empfangen wird und dessen Übertragung
häufig
dem Nutzer oder Teilnehmer in Rechnung gestellt wird. Dieser Verkehr
wird auch als Nutzerverkehr, Nutzerdaten oder Teilnehmerverkehr
bezeichnet. Die zweite Art ist jener Verkehr, der durch das Netzwerkmanagement
verursacht und häufig
als Managementverkehr bezeichnet wird.
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Auf
dem Gebiet der Telekommunikation wird der Managementverkehr auch
als Signalisierungsverkehr bezeichnet. Dabei bezieht sich der Begriff "Signalisierung" auf den Austausch
von Signalisierungsnachrichten zwischen verschiedenen Netzelementen
wie Datenbankservern, Ortsvermittlungsstellen, Transitvermittlungsstellen
und Nutzerendgeräten.
Ein weitläufig
bekanntes Protokoll zum Übertragen
solcher Signalisierungsinformationen ist das Signaling System 7
(SS7), häufig
auch als Zentrales Zeichengabesystem Nr. 7 (ZZS7) oder Common Channel
Signaling System 7 (CCS7) bezeichnet.
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Das
Signaling System 7 ist durch die International Telecommunication
Union (ITU) in der Standardserie Q.7xx standardisiert und erfüllt alle
Signalisierungsanforderungen heutiger Telekommunikationsnetze.
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Das
Signaling System 7 bildet dabei ein unabhängiges Netzwerk, in welchem
SS7-Nachrichten zwischen den Netzelementen über bidirektionale Kanäle ausgetauscht
werden, welche als Links bezeichnet werden. Die Signalisierung erfolgt
außerhalb
des (Sprach)-Bandes (out-of-band) und nicht innerhalb des Bandes (in-band)
auf Kanälen,
die den Nutzerdaten (z.B. Sprache) vorbehalten sind. Dies ermöglicht neben
schnelleren Verbindungsaufbauzeiten eine Reihe von Funktionen, beispielsweise
Intelligent Network (IN) Dienste, die im Signalisierungsnetz ablaufen
können,
ohne daß parallele
Nutzdatenverbindungen aufgebaut werden müssen.
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Die
Elemente eines SS7-Netzwerks sind als Signaling Points bekannt,
die durch einen Signaling Point Code (SPC) eindeutig identifiziert
werden. Diese Point Codes werden in den Signalisierungsnachrichten
zwischen Signaling Points übertragen
und bezeichnen jeweils die Quelle und das Ziel einer Nachricht.
Jeder Signaling Point nutzt eine Routingtabelle zum Auswahl eines
geeigneten Signalisierungswegs für
jede Nachricht.
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Das
Signaling System 7 nutzt einen Protokollstack, in welchem die Hardware-
und Softwarefunktionen des SS7-Protokolls in funktionale Abstraktionen
unterteilt werden, die Level bzw. Ebenen genannt werden. Diese Level
lassen sich mit einigen Einschränkungen
auf das Open Systems Interconnect (OSI) 7-Layer-Modell bzw. Schichtenmodell der
International Standards Organization (ISO) abbilden.
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Die
unteren drei Level werden Message Transfer Part (MTP) genannt. MTP
Level 1 definiert die physikalischen, elektrischen und funktionalen
Eigenschaften des digitalen Signaling Link. MTP Level 2 sichert
die korrekte Ende-zu-Ende-Übertragung
einer Nachricht über
einen Signaling Link. MTP Level 3 liefert das Routing von Nachrichten
zwischen Signaling Points des SS7-Netzes.
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Funktionen
werden bei SS7 durch sogenannte User Parts bereitgestellt. Ein häufig genutzter
User Part ist der ISDN User Part (ISUP), welcher das Protokoll definiert,
das zum Belegen, Verwalten und Freigeben von Leitungen genutzt wird,
welche den Nutzerverkehr zwischen Vermittlungsstellen transportieren
(z.B. zwischen dem Anrufer und dem Angerufenen). In einigen Ländern wird
der weniger leistungsfähige
Telephone User Part (TUP) anstelle des ISUP genutzt.
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Alle
User Parts nutzen in klassischen Telekommunikationsnetzen den MTP
Level 3 zum Nachrichtentransport, wobei sich der MTP Level 3 seinerseits
auf die Level 2 und 1 stützt,
um den Transport zu leisten sowie das Linkmanagement durchzuführen.
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Aktuelle
Entwicklungen zielen darauf ab, die auf exklusiven und daher teuren
Leitungen basierende Signalisierung durch Dienste, die auf dem Internet
Protocol (IP) basieren, zu ersetzen. Wenn jedoch IP an die Stelle
des MTP Level 1 tritt, erfordert dies auch einen Austausch des bislang
verwendeten MTP Level 2. Von der Internet Engineering Task Force
(IETF), wurde daher im RFC 3332 das Protokoll MTP3 User Adaptation Layer
(M3UA) spezifiziert, welches auf dem Stream Control Transmission
Protocol (SCTP) aufsetzt und an die Stelle der MTP Level 2 und 3
tritt. Alternative, auf dem Internet Protokoll basierender Protokollstacks
sehen die Übertragung
der MTP Level 3 Informationen mittels der IETF Sigtran Protokolle
M2PA oder M2UA über SCTP
und IP vor.
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Ziel
der Kombinationen M3UA/SCTP/IP, MTP3/M2PA/SCTP/IP oder MTP3/M2UA/SCTP/IP
ist es, eine Möglichkeit
zu schaffen, mittels der es möglich
ist – analog
dem MTP Level 3 der klassischen SS7-Netze – Nachrichten der User Parts
zwischen SS7 Signaling Gateways (SG), Media Gateway Controllern
(MGC) oder IP-basierten Datenbanken zu transportieren.
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Existieren
für den
Transport einer Nachricht zu einem Ziel auf der Protokollebene MTP3
bzw. M3UA mehrere Links, ist eine Aufteilung des Verkehrs zwischen
diesen Links vorgesehen. Hierfür
wird das sogenannte Signaling Link Selection (SLS) Feld ausgewertet,
das Bestandteil jeder MTP3 Nachricht ist und einen Wertevorrat von
16 verschiedenen Werten aufweist.
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Damit
das in den zugrundeliegenden ITU-Standardserie Q.7xx festgelegte
Lastverteilungsverfahren anhand dieses SLS Feldes zufriedenstellend
funktioniert, muß sichergestellt
sein, daß alle
16 Werte mit gleicher Häufigkeit
auftreten. Dies ist jedoch in realen Telekommunikationsnetzen nahezu
nie der Fall, da asymmetrische Verkehrsströme, eine über mehrere Stufen stattfindende
Lastverteilung und andere Ursachen regelmäßig Schieflasten verursachen,
d.h. die zum Ziel zur Verfügung
stehenden Links sind ungleichmäßig ausgelastet,
etwa weil ein SLS-Wert viel häufiger
auftritt als andere SLS-Werte.
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Bekannte
Verfahren zur Erweiterung des Wertevorrats für die Lastverteilung, siehe
z.B. die Veröffentlichung "Loadsharing – A key
to the reliability for SS7 networks", K.D. Gradischnig et al, erschienen
in "Proceedings
of Second International Workshop on the Design of Reliable Communication
Networks", DRCN
2000, 9.-12. April 2000, S. 216-221, ISBN 3-89675-829-0, die neben dem SLS Feld
beispielsweise weitere Felder des MTP3 Routing Label auswerten,
erreichen bestenfalls durch den erweiterten Wertevorrat eine verbesserte Aufteilung,
können
jedoch das Problem nicht zuverlässig
lösen,
insbesondere weil die weiteren Felder des MTP3 Routing Label häufig nicht
genug variieren. Beispielsweise tragen die Nachrichten von einem
bestimmten Endpunkt stets den gleichen Originating Point Code im
Routing Label, so daß die
aus diesem Feld gebildeten zusätzlichen
Bits des erweiterten SLS Wertes nicht variieren.
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Aus
US 2004/0015964 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einem Signaling
Transfer Point ein neuer SLS-Wert erzeugt und anschließend für die Lastverteilung
genutzt wird. Dabei werden die neuen SLS-Werte mit dem Ziel erzeugt,
eine gleichmäßigere Lastverteilung
zu erreichen. Beispielsweise wird ein neuer SLS-Wert erzeugt, indem
der SLS-Wert einer empfangenen Nachricht um eine festgelegte Anzahl
von Stellen rotiert wird. Alternativ oder zusätzlich sieht US 2004/0015964
A1 vor, für
die Erzeugung eines neuen SLS-Wert üblicherweise nicht genutzte
Bits des Circuit Identification Code (CIC) heranzuziehen, oder einen neuen
SLS-Wert zufällig
zu erzeugen.
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Daneben
ist aus
DE 101 37
222 A1 ein Verfahren zur Lastverteilung bekannt, bei dem
zunächst
logische Verkehrseinheiten bzw. Datenstromgruppen gebildet werden.
Jeder Datenstromgruppe wird eine Übertragungstrecke bzw. ein
Signaling Link zugeordnet. Dabei ist es möglich, mehrere Datenstromgruppen über eine Übertragungstrecke
zu führen.
Eine möglichst
gleichmäßige Auslastung
der Übertragungsstrecken
wird erreicht, indem die Datenströme den Datenstromgruppen geeignet
zugeordnet werden.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren
und ein Netzelement anzugeben, welche eine gleichmäßige Verteilung
von SS7-Verkehr auf mehrere Links in klassischen und IP-basierten
SS7-Netzen auch dann ermöglichen,
wenn einige der für
die Linkauswahl verwendeten Werte (z.B. SLS-Werte) häufiger auftreten
als andere.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Verteilung von SS7-Verkehr zu einem Ziel
in einem SS7-Netzwerk auf mehrere Verbindungen, wobei die Verteilung
anhand von Verbindungsauswahlparametern erfolgt, die aus Nachrichtenfeldern des
SS7-Verkehrs abgeleitet werden, und wobei jedem Verbindungsauswahlparameterwert
eine Verbindung eindeutig zugeordnet ist. Das Verfahren zeichnet
sich dadurch aus,
- – daß während des Betriebs des SS7-Netzwerks
eine Verkehrsmenge pro Verbindungsauswahlparameterwert überwacht
wird, und
- – daß die Verbindungsauswahlparameterwerte
den Verbindungen zeit- oder ereignisgesteuert neu zugeordnet werden
mit der Maßgabe,
daß das
Verhältnis
von transportierter Verkehrsmenge zu Verbindungskapazität für alle Verbindungen
möglichst
gleich ist, wobei für
Verbindungen mit neu zugeordneten Verbindungsauswahlparameterwerten
zur Vermeidung von Nachrichtenüberholungen
eine Übergabeprozedur ähnlich oder
gleich der Change Back Prozedur genutzt wird.
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Vorteilhaft
umfassen die Verbindungsauswahlparameter zumindest den Signaling
Link Selection (SLS) Parameter, können aber auch aus dem Stand
der Technik bekannte erweiterte Verbindungsauswahlparameter, beispielsweise
einen um weitere Bits aus anderen Feldern des MTP3 Routing Labels
erweiterten SLS Parameter, umfassen.
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Falls
die Verbindungskapazität
aller Verbindungen zu dem Ziel gleich ist, erfolgt die Neuzuordnung
in Anwendung der Erfindung so, daß die transportierte Verkehrsmenge
für alle
Verbindungen möglichst
gleich ist.
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Um
die Verkehrsmenge zu ermitteln, können beispielsweise die Nachrichten
je Verbindungsauswahlparameterwert gezählt werden, was bei Nachrichten
mit im Wesentlichen gleicher Länge
von Vorteil ist, oder es kann pro Verbindungsauswahlparameterwert
die in Byte gemessene übermittelte
Informationsmenge ermittelt werden, was insbesondere dann gute Ergebnisse
liefert, wenn die Nachrichtenlänge
stark variiert.
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Die
Erfindung ist gleichermaßen
anwendbar für
Signaling Links eines klassischen, TDM-basierten SS7-Netzwerks und
die SCTP Associations eines IP-basierten SS7-Netzwerks.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Netzelement mit Mitteln zum Durchführen des
Verfahrens.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch die Erfindung gewährleistet
wird, daß – unabhängig von
schwankenden und/oder stark ungleichen Verteilungen der SLS Werte
im MTP Nachrichtenstrom – stets
eine annähernd
gleiche und insofern optimale Belastung der Verbindungen zum Ziel
erreicht werden kann, und zwar ohne menschlichen Eingriff eines
Operators.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
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Zunächst sei
kurz das aus ITU-T Q.7xx bekannte Verfahren beschrieben. In Q.7xx
werden als Verbindungsauswahlwerte ausschließlich die SLS Werte vorgesehen,
aber die folgenden Erläuterungen
gelten sinngemäß auch für beliebig
erweiterte SLS Werte. Für
ein erstes Netzelement (z.B. ein Knoten oder Endpunkt) eines SS7-Netzwerks,
das mit einem bestimmten Ziel (ebenfalls ein Knoten oder Endpunkt)
des SS7-Netzwerks mittels insgesamt vier Links 1..4 verbunden ist,
kann – sofern
alle Links aktiv sind – die
folgende Zuordnungstabelle 1 für
die Zuordnung von Verbindungsauswahlparameterwerten (hier: SLS Werten)
zu Verbindungen (hier: Links) gelten:
Tabelle
1
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Dies
bedeutet, daß MTP-Nachrichten,
deren SLS Feld einen der Werte 0..3 aufweist, über den Link 1 gesendet werden;
MTP Nachrichten, deren SLS Feld einen der Werte 4..7 aufweist, werden über Link
2 gesendet und so fort.
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Nur
unter der – in
der Praxis nie auftretenden – Voraussetzung,
daß alle
Werte 0..15 des SLS Feldes mit gleicher Häufigkeit auftreten, kann eine
gleiche Lastverteilung erreicht werden, bei der von jedem Link 25% des
Verkehrs transportiert werden.
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In
der Praxis hingegen werden häufig
Schieflasten anzutreffen sein, die – wie eingangs erläutert – verschiedene
Ursachen haben können.
Tabelle 2 zeigt ein Beispiel für
eine solche Schieflast:
Tabelle
2
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Die
Zuordnung von Verbindungsauswahlparameterwert zu Verbindung entspricht
der in der Tabelle 1 angegebenen, allerdings ist in Tabelle 2 zusätzlich eine
Häufigkeit
H angegeben, mit der die verschiedenen SLS Werte tatsächlich auftreten,
ein Umstand, der durch Q.7xx nicht berücksichtigt wird.
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Wie
leicht ersichtlich ist, würde
Link 1 in diesem Fall überhaupt
keinen Verkehr tragen, da die SLS Werte 0..3 im MTP Verkehrsstrom überhaupt
nicht auftreten. Diese Situation entsteht beispielsweise bei kaskadierten
Netzelementen, die eine Lastverteilung anhand des SLS Parameters
vornehmen, wodurch pro Kaskade mindestens ein Bit des SLS Parameters "verbraucht" wird, d.h. mindestens
ein Bit des SLS Parameters variiert im Nachrichtenstrom zum nächsten,
hier beispielsweise betrachteten Netzelement, nicht mehr. Im Beispiel
der Tabelle 2 können
dies die Bits mit der Wertigkeit 22 und/oder
23 sein, die stets den Wert "1" aufweisen.
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Link
2 hingegen würde
50% der gesamten Last zugewiesen werden, Link 3 35% und Link 4 15%.
Es ist offensichtlich, daß eine
solche Schieflast höchst
unerwünscht
ist.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird diese Schieflast verhindert, indem
pro Verbindungsauswahlparameterwert die transportierte Verkehrsmenge überwacht
wird, d.h. es wird die in Ta belle 2 angegebene Häufigkeit H ermittelt. Anschließend werden
die Verbindungsauswahlparameterwerte den Verbindungen (hier: den Links)
so neu zugeordnet, daß alle
Links die gleiche Last tragen. Im vorliegenden Fall bedeutet dies,
daß die SLS-Werte
den Links so zugeordnet werden, daß jeder Link 25% der Last trägt.
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Die
Neuzuordnung kann dabei kontinuierlich erfolgen, was aber wegen
der notwendigen Sicherungsmaßnahmen
gegen Nachrichtenüberholungen
(siehe weiter unten) nicht sinnvoll ist. Vorzugsweise erfolgt die Neuzuordnung
in festen Zeitabständen,
wobei zur Wahl eines geeigneten Zeitabstands beispielsweise folgendes
zu berücksichtigen
ist: Zeitdauer eines vollständigen
Ablaufs der Sicherungsmaßnahme;
für die
Auswertungen zur Verfügung
stehende Prozessorkapazität;
Fähigkeit
der Links, kurzfristig mit hoher Last betrieben zu werden. Alternativ
oder zusätzlich
kann die Neuzuordnung auch ansprechend auf bestimmte Ereignisse durchgeführt werden.
Mögliche
Ereignisse sind beispielsweise: Aktivieren/Deaktivieren von Verbindungen,
Detektieren besonders hoher Last auf einer Verbindung.
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Die
Neuzuordnung dient nun also dem Ziel, die in Tabelle 2 aufgeführten Häufigkeiten
der SLS Werte den Links so zuzuordnen, daß jedem Link etwa die gleiche
Verkehrsmenge, d.h. 25%, zugewiesen wird. Die SLS Werte 0..3 und
15 treten nicht auf, daher müssen
bei der Neuzuordnung nur die SLS Werte 4..14 berücksichtigt werden (Auszug aus
Tabelle 2):
Tabelle
3
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Eine
mögliche
neue Zuordnung der SLS Werte zu den Links könnte dann wie folgt aussehen:
Tabelle
4
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Dem
Fachmann sind verschiedene Möglichkeiten
unmittelbar ersichtlich, wie die Neuzuordnung nach Maßgabe der
Erfindung implementiert werden kann.
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Die
SLS Werte, die im MTP Nachrichtenstrom nicht auftreten, können auf
die Links 1..4 beliebig verteilt werden. Diese SLS Werte nicht zuzuordnen
ist zwar prinzipiell möglich,
birgt aber die Gefahr, daß durch
Umordnungen in einem vorhergehenden Netzelement und anschließendes Auftreten
von Verkehr mit bislang unzugeordneten SLS Werten Störungen auftreten.
Letztendlich ergeben sich aus Tabelle 4 und unter Berücksichtigung
der Zuordnung der SLS Werte mir einer Häufigkeit von 0% folgende Zuordnungen
von Verbindungsauswahlparameterwert zu Verbindung:
Tabelle
5
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Im
Beispiel der Tabellen 4 und 5 ergibt sich anhand der exemplarisch
gewählten
Häufigkeiten
des Auftretens der einzelnen SLS Werte die Situation, daß die Verteilung
optimal ist in dem Sinne, daß jedem
Link 1..4 genau 25% der Last zugeordnet ist.
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In
anderen Fällen
ist nur eine optimierte Lastverteilung möglich, d.h. ein möglichst
gleiches Verhältnis von
transportierter Verkehrsmenge zu Verbindungskapazität für alle Verbindungen.
Betrachtet wird hierzu der Fall aus Tabellen 2-5, in welchem der
Link 4 beispielsweise durch eine Störung nicht zur Verfügung steht.
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Jedem
der drei verbleibenden Links wäre
eine Last von 33,3% zuzuordnen, was im Rahmen der exemplarischen
Häufigkeiten
des Auftretens der einzelnen SLS-Werte nicht möglich ist. Eine mögliche neue
Zuordnung der SLS Werte zu den Links könnte wie folgt aussehen:
Tabelle
6
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Im
Beispiel der Tabelle 6 ergibt sich eine optimierte Verteilung, bei
der Links 1 und 2 je 35% des Verkehrs transportieren, während Link
3 30% des Verkehrs transportiert.
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Wie
bereits erwähnt
kann die Verkehrsstatistik zur Ermittlung der Häufigkeit auf die Anzahl der
Nachrichten oder auf die Anzahl der transportierten Bytes gestützt werden.
Letzteres ermöglicht
eine präzisere
Statistik und ist sinnvoll in Umgebungen mit Nachrichten stark verschiedener
Länge,
ist allerdings aufwendiger, da jeder MTP Nachricht die Längeninformation
entnommen werden muß.
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Zur
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf M3UA oder MTP3/M2PA oder MTP3/M2UA Verbindungen, d.h. SCTP Assoziationen,
welche M3UA, MTP3/M2PA oder MTP3/M2UA Nachrichten transportieren,
wird als Ziel ein Application Server definiert, zu dem mehrere SCTP
Assoziationen führen.
Mit diesen Voraussetzungen kann die Erfindung dann angewendet werden,
um eine möglichst
gleichmäßige Verteilung des
Verkehrs auf mehrere SCTP Assoziationen auch bei ungleicher Verteilung
des Verkehrs auf Verbindungsauswahlparameterwerte zu erreichen.
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Das
Verfahren ist, wie bereits erwähnt,
auch einsetzbar im Zusammenhang mit beliebigen Verfahren zur Erweiterung
des Wertevorrats des SLS Parameters.
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Für Netzwerke,
in denen Verbindungen unterschiedlicher Kapazität oder Übertragungsrate eingesetzt werden,
kann sinnvoll vorgesehen werden, die Verbindungen proportional zu
ihrer Kapazität
auszulasten anstatt alle Verbindungen mit annähernd gleichem Verkehrsaufkommen
zu beaufschlagen. Als Maß für diese Proportionalität kann beispielsweise
das Verhältnis
von transportierter Verkehrsmenge zu Kapazität einer Verbindung dienen,
wobei dann durch die vorliegende Erfindung erreicht wird, daß dieses
Verhältnis
für alle
Verbindungen annähernd
gleich ist.
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In
Fortführung
des obigen Beispiels, bei dem der Verkehr auf drei Links verteilt
wird, sei nun beispielsweise angenommen, daß ein Link 1* die doppelte
Kapazität
aufweist wie Links 2 und 3. Die optimale Verkehrsverteilung würde dann
50% des Verkehrs über
Link 1* und je 25% über
Links 2 und 3 leiten. Ausgehend von Tabelle 6 kann beispielsweise
folgende Verteilung vorgenommen werden:
Tabelle
7
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Um
zu verhindern, daß es
beim Neuzuordnen der Verbindungsauswahlparameterwerte zu den Verbindungen
zu Nachrichtenüberholungen
kommt, kann für
alle Nachrichtenströme,
die nach der Umordnung über eine
andere Verbindung geführt
werden, d.h. für
alle Neuzuordnungen von Auswahlparameterwert zu Verbin dung, die
Change Back Funktion gemäß ITU-T
Q.704 Kapitel 6 genutzt werden, die üblicherweise dazu dient, die
Neuverteilung von Nachrichtenströmen
nach Aktivieren einer Verbindung zu signalisieren. Für die vorliegende
Erfindung wird dabei ausgenutzt, daß ein Netzelement diese Funktion
auch dann anwenden kann, wenn keine Verbindung aktiviert wurde.
Vorzugsweise wird dabei die sequenzgesteuerte Change Back Prozedur
angewendet, bei der Sender und Empfänger Nachrichten bezüglich des
Umschaltens des mit einem bestimmten SLS Wert assoziierten Verkehrsstroms
austauschen. Alternativ, besonders für SCTP/IP-basierte Verbindungen,
kann auch die zeitgesteuerte Change Back Prozedur genutzt werden,
bei der das sendende Netzelement nach Ablauf einer definierten Zeit
den Verkehrsstrom auf eine andere Verbindung umleitet, ohne daß eine Bestätigung vom
empfangenden Netzelement gegeben wird.
